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1、量子纠缠 1 1 提纲 1 量子力学简史 2 量子力学简单原理 3 量子纠缠 4 量子纠缠的应用 5量子纠缠的意义 2 2 量子力学简史 3 普朗克 爱因斯坦 海森堡 狄拉克 费曼 4 4 量子力学主要原理 波粒二象性 波函数 态叠加原理 量子测量 波粒二象性 5 5 量子纠缠概念 导引 定义 特点 物理意义 6 6 量子纠缠应用 量子通讯 量子计算机 7 7 波粒二象性波粒二象性 光量子光量子 概率波概率波 物质波物质波 h p h p E h E h 8 8 波函数波函数 波函数是量子力学中描写微观系统状态的波函数是量子力学中描写微观系统状态的 函数 函数 波函数波函数 r r t t 是
2、坐标和时间是坐标和时间 t t 的复函数 的复函数 波函数模的平方对应于微观粒子在某处出波函数模的平方对应于微观粒子在某处出 现的概率密度现的概率密度 薛定谔方程和狄拉克方程薛定谔方程和狄拉克方程 9 9 态叠加原理态叠加原理 DiracDirac符号 符号 表示量子态表示量子态 态叠加原理态叠加原理 1 2 1 2 1 1 2 2 互相正交 且归一化互相正交 且归一化 1 1 相叠加的不同成分在叠加态中出现的概率相叠加的不同成分在叠加态中出现的概率 由由 决定决定 1010 量子测量量子测量 本征态时 可得到唯一确定值本征态时 可得到唯一确定值 叠加态时 设叠加态时 设 cn n cn n
3、测量结果不可预测 概率等于测量结果不可预测 概率等于 cn cn 测量会导致波函数坍缩测量会导致波函数坍缩 1111 量子纠缠导引量子纠缠导引 考虑两个电子的自旋 它们可能的情况有 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 2 2 2 1212 量子纠缠定义量子纠缠定义 量子纠缠是描述复合系统 具有两个以上 的成员系统 之一类特殊的量子态 此量 子态无法分解为成员系统各自量子态之张 量积 tensor product 1313 量子纠缠特点量子纠缠特点 没有确定值 两个量子一旦测定一个的状态 就可以立 刻知道另一个的状态 上述结论与两个粒子的空间距离无关 没有经典力学类比 1414
4、量子纠缠物理意义量子纠缠物理意义 是信息传输 信息处理的一种物理资源 隐态传输 超密编码 远程态制备 1515 量子通讯 l 量子通讯 Quantum communication 是指利用 量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方 式 量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学 科 是量子论和信息论相结合的新的研究领域 量子通讯主要涉及 量子密码通信 量子隐形传 态和量子密集编码等 这门学科已逐步从理论走 向实验 并向实用化发展 高效安全的信息传输 日益受到人们的关注 基于量子力学的基本原理 量子通讯具有高效率和绝对安全等特点 并因 此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点 16 量子通讯系统
5、l 量子通讯系统由量子态发生器 量子通道和量子接收设备 组成 它是光纤通讯技术的一种 只不过其量子通道利用 光的量子物理特性 让一个个光子传输0和1的信息 量子 通讯技术所传输的信息分为经典和量子两类 前者主要用 于量子密钥的传输 开发无法破译的密码 后者则是量子 瞬间传送 一种令人难以置信但在量子世界确实可行的 瞬间远距离 实物 传输技术 17 量子通讯研究成果 l量子通讯是利用了光子等粒子的量子纠缠 原理 量子通讯学告诉人们 在微观世界 里 不论两个粒子间距离多远 一个粒子 的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子 纠缠 这一现象被爱因斯坦称为 诡异的互 动性 科学家认为 这是一种 神奇的力量
6、 可成为具有超级计算能力的量子计算机 和量子保密系统的基础 18 有些科学家正在计划打造一个人造卫星 用 于产生纠缠光子 接收信息并对信息编码 之后再将编码的信息反射回来 以建立 全球量子通讯网络 量子纠缠在量子通讯方面的应用又可以细分 为两个方 面 l 一量子隐形传态 l 二量子密码通讯 19 量子隐形传态 l 量子隐形传态 quantumteleportation 是经由经典通道和 EPR 通道传送未知量子态 通俗来讲就是 将甲地的某一 粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来 因量子 力学的不确定原理和量子态不可克隆原理 限制我们将原 量子态的所有信息精确地全部提取出来 因此必须将原量
7、 子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分 它们分 别由经典通道和量子通道送到乙地 根据这些信息 在乙地 构造出原量子态的全貌 20 量子密码通讯 l量子密码通讯是近20年来发展起来的通讯 技术 它利用量子物理特性以得到通讯的 保密性 它的发展在军事通信 商业通讯 电子银行都有很好的发展前景 l量子密码通讯是以量子密码学为基础的一 种通讯方式 21 量子计算机 l普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行 称为 比特 bit 但量子计算机要远远更为强大 它们可 以在量子比特 qubit 上运算 可以计算0和1之间的 数值 l用原子实现的量子计算机只有5个q bit 放在一个试管 中而且配备有庞大的外围设备 只能做1 1 2的简单 运算 现在的量子计算机只是一个玩具 真正做到有 实用价值的也许是许多年以后 22 量子纠缠的意义 l 进入 90 年代以来 随着量子信息科学的蓬勃兴起 量子力学的叠加性和非局域性被重新挖掘出来 开始为 人的意志服务 随着实验技术的迅猛发展 量子信息的技 术革命必将不可阻挡 现在 量子纠缠在量子信息科学中 所占的比重越来越突出 于是 对纠缠态的定量化研究以 及对其所处的空间结构的认识 这些关系到量子纠缠本质 的问题 也就显得越来越重要 对其的深入理解将有助于 人们开发出更多神奇的应用 23
